质量单位如何被定义的 质量单位将与宇宙恒量联系(1)

一秒钟有多长?一千克有多重?对于很多人,这可能是个简单得不能再简单的问题,连菜场大妈可能也不屑回答这个问题。然而,在科学上,这个问题却有着无比重要的意义,这甚至是整个物理学的实验基础之一,没有这些最基本的概念,物理大厦根本无从搭建。

在小编学习物理的时候,那时千克还是以性质稳定的贵金属进行定义,记得那时国际千克原器还被严格保存在法国的实验室里。然而,从明年开始,千克的定义将重新改写,这些问题的答案将不再是熟悉的回答。

日前,国际计量委员会在北京举行的学术报告会上透露,将于2018年召开第26届国际计量大会,并将最终审议新的国际单位制修订案。电流、质量等7个基本单位将全部与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来。届时,SI单位的量子化变革将最终完成,这些变化都将基于高精度的时间频率测量技术。

随着技术的进步,高精度时间频率让“千克”等得以被重新定义。早在50年前的第13届国际计量大会通过了新的秒定义,即用铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁频率的“原子秒”替代了原有基于地球自转和公转的“天文秒”。这标志着原子时的诞生,宣告一个以量子定义时间的时代到来。“天文时”到“原子时”的量子化变革,让时间频率测量精度跃升了1000万倍以上,目前全球最好的铯原子喷泉钟相当于几亿年不差一秒。高精度的时间频率正广泛应用到人类生产生活的各个领域。正是因为有了“原子时”的保驾护航,中国电网运行时间同步水平达到1微秒;5G通信基站之间的时间同步水平达到100纳秒以内。中国计量技术的基础前沿研究一直走在前列,国家校准测量能力跃升到全球第4位。中国计量科学研究院正在研制NIM6铯喷泉钟, 准确度会达到6000万年不差一秒。中国科技大学表示,希望用5到10年发射卫星、形成量子星座,与地面光纤形成全球量子通信网络。

作为计量单位的核心,时间率先完成量子化变革,由此催生长度、电学、温度、质量等单位的重新定义。重新定义之后,长度和电流都是时间的导出量,质量也最终由时间导出。时间的量子化也带动了千克的量子化定义。由于有了精确的定义,特别是与宇宙恒量相关联。这些概念首先在理论上站稳了脚跟,不再有实物定义与理论需求的矛盾,其次也为实际应用中物理量的比较奠定了基础,由于都和宇宙恒量关联,通过宇宙恒量即可确定误差,相当于有了绝对精确的准绳。

当然,国际标准的实际修订过程中肯定还会遇到种种技术难题,一旦确定和宇宙恒量关联,那么宇宙恒量之间的预设关系将变得十分重要,不能有一丝逻辑上的疑问。相信科学家最终会解决这些问题。如果修订成功,无疑将是人类科学史上的又一伟大进步。

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质量单位如何被定义的 质量单位将与宇宙恒量联系(2)

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